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EP1074805B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck Download PDF

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Publication number
EP1074805B1
EP1074805B1 EP99118724A EP99118724A EP1074805B1 EP 1074805 B1 EP1074805 B1 EP 1074805B1 EP 99118724 A EP99118724 A EP 99118724A EP 99118724 A EP99118724 A EP 99118724A EP 1074805 B1 EP1074805 B1 EP 1074805B1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
air
pressure column
low
column
Prior art date
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Revoked
Application number
EP99118724A
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French (fr)
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EP1074805A1 (de
Inventor
Wilhelm Rohde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7917229&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1074805(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
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    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of oxygen according to the Preamble of claim 1.
  • the invention is based on the object, such a method energetically cheaper.
  • the first pressure, on which the first and the second partial flow of the air in common be compacted, is slightly above the operating pressure of the pressure column.
  • the Pressure difference is preferably such that the first partial flow of the air Flow resistance between the air compressor and the pressure column without can overcome pressure-changing measures, and is for example 0.1 to 0.5 bar.
  • the operating pressures at the top of the rectification columns are for example 2.5 to 10 bar, preferably 4 to 7 bar in the pressure column and 1.05 to 4 bar, preferably 1.1 to 1.5 bar in the low pressure column.
  • an air compressor is the only one external used driven machine. This brings the total air to the first pressure, at the same time the inlet pressure of expansion machine and cold compressor represents.
  • the oxygen product can under a discharge pressure be obtained, for example, 0.5 to 4 bar, preferably 1 to 3 bar over the operating pressure of the low pressure column, without that an additional Energy consumption compared to the recovery of the oxygen product Low pressure column pressure is connected.
  • the cold-compressed partial air flow is in the indirect heat exchange with the evaporating oxygen at least partially, preferably completely or in the essentially completely condensed.
  • the condensate is then released and fed to the pressure column and / or the low pressure column.
  • the process of the invention is particularly for the production of impure Oxygen with a purity of 80 to 99.5 mol%, preferably 90 to 95 mol% suitable under superatmospheric pressure.
  • the process stream, the work performing relaxation is subjected, however, by a third partial flow of the first pressure formed compressed compressed air.
  • the indirect heat exchange in which the Product oxygen vaporizes against the condensing second partial stream of air, in the main heat exchanger.
  • the Separate secondary condenser provided as the main heat exchanger Circulation evaporator is formed;
  • a Countercurrent heat exchanger or a falling film evaporator as secondary condenser use.
  • the Brake device can, for example, by a brake fan and / or a Brake generator can be formed and located outside the coldbox, the to Insulation of the cold parts of the apparatus is used. This can give energy to the Given environment and thus won the necessary for the process cold be without an additional relaxation machine is used.
  • relaxation machine, cold compressor and braking device immediately mechanically coupled, for example via a common shaft.
  • the invention also relates to a device according to claim 5.
  • Atmospheric air 1 is after flowing through a filter 2 in an air compressor 3 compressed to a first pressure, which is approximately equal to the operating pressure of the pressure column 13 is. (To overcome the line losses, the first pressure must be slightly above the Pressure column pressure are, for example, less than 1 bar, preferably 0.5 bar or less.)
  • After removal of the compression heat in the aftercooler 4 flows compressed air to the first pressure 5 to a cleaning device 6, by a A pair of reversible molecular electroluminescent adsorbents is formed.
  • the first Pressure compressed air flows after cleaning 6 via line 7 to Main heat exchanger 8 and is cooled there in part to about dew point.
  • the cold air 9 is at 10 in a first partial flow 11 and a second partial flow 12th divided up.
  • the first partial flow 11 is directly into the pressure column 13 of the Rectifier fed directly above the sump.
  • the Rectification system also has a low-pressure column 14, which has a common condenser-evaporator, the main capacitor 15 in Heat exchange relationship with the pressure column 13 is.
  • the second partial flow 12 is in a cold compressor 16 to a second, higher Pressure, via line 17 to a secondary capacitor 18, as Circulation evaporator is madebiildet (not shown), guided, and there essential completely liquefied.
  • the liquefied air 19 is via a valve 20 in the pressure column 13 throttled, either at the bottom (see drawing) or at an intermediate point, some theoretical or practical soils above the feed of the first partial flow 11 is located.
  • Another proportion of the first pressure compressed and then purified Air 7 is at an intermediate temperature from the main heat exchanger. 8 led out and forms the third partial flow 21.
  • This is in a Relaxation turbine 22 work-performing relaxed to about low-pressure column pressure and passed via line 23 directly to the low pressure column 14.
  • the relaxation turbine 22 is over a common shaft with the cold compressor 16 and not one coupled brake generator coupled.
  • Liquid raw oxygen 24 from the bottom of the pressure column 13 and liquid nitrogen 25 from the main condenser 15 are cooled in the subcooling countercurrent 26 and abandoned via the valves 27 and 28 to the low-pressure column 14.
  • nitrogen-rich residual gas 29 is withdrawn and after heating in the subcooling countercurrent 26 and in the main heat exchanger. 8 discharged via line 30. It can also be used as a regeneration gas in the Cleaning device 6 are used (not shown).
  • liquid oxygen falls with the required purity.
  • a part is withdrawn via line 31 liquid, by means a pump 32 brought to the required discharge pressure and under this pressure evaporated in the secondary condenser 18.
  • the gaseous pressure oxygen product flows via line 33 to the main heat exchanger and is via line 34 below about Ambient temperature delivered.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 5626036 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren energetisch günstiger zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird nicht der Sauerstoffproduktstrom selbst mittels des von der Entspannungsmaschine angetriebenen Kaltverdichters auf einen erhöhten Druck gebracht, wie es in DE 2544350 A beschrieben wird, sondem ein Teilluftstrom, der zur Verdampfung des flüssig abgezogenen Sauerstoffstroms unter einem erhöhten Druck dient. Trotz dieser indirekten Übertragung der Energie auf den Sauerstoffproduktstrom hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, daß sich auf diese Weise ein größerer Effekt erzielen läßt, das heißt der Abgabedruck des Sauerstoffs wird bei gleichem Kälteverlust am Kaltverdichter höher als bei dem vorbekannten Verfahren.
Der erste Druck, auf den der erste und der zweite Teilstrom der Luft gemeinsam verdichtet werden, liegt geringfügig über dem Betriebsdruck der Drucksäule. Die Druckdifferenz ist vorzugsweise so bemessen, daß der erste Teilstrom der Luft den Strömungswiderstand zwischen dem Luftverdichter und der Drucksäule ohne druckverändemde Maßnahmen überwinden kann, und beträgt beispielsweise 0,1 bis 0,5 bar.
Die Betriebsdrücke am Kopf der Rektifiziersäulen betragen beispielsweise 2,5 bis 10 bar, vorzugsweise 4 bis 7 bar in der Drucksäule und 1,05 bis 4 bar, vorzugsweise 1,1 bis 1,5 bar in der Niederdrucksäule.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren ein Luftverdichter als einzige extern angetriebene Maschine eingesetzt. Dieser bringt die Gesamtluft auf den ersten Druck, der gleichzeitig den Eintrittsdruck von Entspannungsmaschine und Kaltverdichter darstellt. Auf diese Weise kann das Sauerstoffprodukt unter einem Abgabedruck gewonnen werden, der beispielsweise 0,5 bis 4 bar, vorzugsweise 1 bis 3 bar über dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule liegt, ohne daß damit ein zusätzlicher Energieverbrauch gegenüber der Gewinnung des Sauerstoffprodukts unter Niederdrucksäulendruck verbunden ist.
Der kaltverdichtete Teilluftstrom wird bei dem indirekten Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Sauerstoff mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen vollständig kondensiert. Das Kondensat wird anschließend entspannt und der Drucksäule und/oder der Niederdrucksäule zugeleitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Gewinnung von unreinem Sauerstoff mit einer Reinheit von 80 bis 99,5 mol%, vorzugsweise 90 bis 95 mol% unter überatmosphärischem Druck geeignet.
Bei dem Verfahren kann der arbeitsleistenden Entspannung beispielsweise Stickstoff vom Kopf der Drucksäule oder jede andere Fraktion aus der Drucksäule zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Prozeßstrom, der der arbeitsleistenden Entspannung unterworfen wird, jedoch durch einen dritten Teilstrom der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft gebildet.
Grundsätzlich ist es möglich, den indirekten Wärmeaustausch, bei dem der Produktsauerstoff gegen den kondensierenden zweiten Teilstrom der Luft verdampft, im Hauptwärmetauscher durchzuführen. Vorzugsweise ist dazu jedoch ein vom Hauptwärmetauscher getrennter Nebenkondensator vorgesehen, der als Umlaufverdampfer ausgebildet ist; alternativ dazu ist es im Prinzip auch möglich, einen Gegenstrom-Wärmetauscher oder einen Fallfilmverdampfer als Nebenkondensator einzusetzen.
Günstig ist es außerdem, wenn ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugten mechanischen Energie an eine Bremseinrichtung abgegeben wird. Die Bremseinrichtung kann beispielsweise durch ein Bremsgebläse und/oder einen Bremsgenerator gebildet sein und befindet sich außerhalb der Coldbox, die zur Isolierung der kalten Teile des Apparats dient. Dadurch kann Energie an die Umgebung abgegeben und damit die für das Verfahren notwendige Kälte gewonnen werden, ohne daß eine weitere Entspannungsmaschine eingesetzt wird. Vorzugsweise sind Entspannungsmaschine, Kaltverdichter und Bremseinrichtung unmittelbar mechanisch gekoppelt, beispielsweise über eine gemeinsame Welle.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird nach Durchströmen eines Filters 2 in einem Luftverdichter 3 auf einen ersten Druck verdichtet, der etwa gleich dem Betriebsdruck der Drucksäule 13 ist. (Zu Überwindung der Leitungsverluste muß der erste Druck etwas über dem Drucksäulendruck liegen beispielsweise von weniger als 1 bar, vorzugsweise 0,5 bar oder weniger.) Nach Entfernung der Kompressionswärme im Nachkühler 4 strömt die auf den ersten Druck verdichtete Luft 5 zu einer Reinigungseinrichtung 6, die durch ein Paar von umschaltbaren Molelukarsiebadsorbem gebildet wird. Die auf den ersten Druck verdichtete Luft fließt nach der Reinigung 6 über Leitung 7 zum Hauptwärmetauscher 8 und wird dort zu einem Teil auf etwa Taupunkt abgekühlt. Die kalte Luft 9 wird bei 10 in einen ersten Teilstrom 11 und einen zweiten Teilstrom 12 aufgeteilt. Der erste Teilstrom 11 wird direkt in die Drucksäule 13 des Rektifiziersystems eingespeist, und zwar unmittelbar oberhalb des Sumpfs. Das Rektifiziersystem weist außerdem eine Niederdrucksäule 14 auf, die über einen gemeinsamen Kondensator-Verdampfer, den Hauptkondensator 15 in Wärmeaustauschbeziehung mit der Drucksäule 13 steht.
Der zweite Teilstrom 12 wird in einem Kaltverdichter 16 auf einen zweiten, höheren Druck gebracht, über Leitung 17 zu einem Nebenkondensator 18, der als Umlaufverdampfer ausgebiildet ist (nicht dargestellt), geführt, und dort wesentlichen vollständig verflüssigt. Die verflüssigte Luft 19 wird über ein Ventil 20 in die Drucksäule 13 eingedrosselt, entweder am Sumpf (siehe Zeichnung) oder an einer Zwischenstelle, die einige theoretische beziehungsweise praktische Böden oberhalb der Zuspeisung des ersten Teilstroms 11 liegt.
Ein weiterer Anteil der auf den ersten Druck verdichteten und anschließend gereinigten Luft 7 wird bei einer Zwischentemperatur aus dem Hauptwärmetauscher 8 herausgeführt und bildet den dritten Teilstrom 21. Dieser wird in einer Entspannungsturbine 22 arbeitsleistend auf etwa Niederdrucksäulendruck entspannt und über Leitung 23 direkt zur Niederdrucksäule 14 geführt. Die Entspannungsturbine 22 ist über eine gemeinsame Welle mit dem Kaltverdichter 16 und einem nicht dargestellten Bremsgenerator gekoppelt.
Flüssiger Rohsauerstoff 24 vom Sumpf der Drucksäule 13 und flüssiger Stickstoff 25 aus dem Hauptkondensator 15 werden im Unterkühlungs-Gegenströmer 26 abgekühlt und über die Ventile 27 beziehungsweise 28 auf die Niederdrucksäule 14 aufgegeben.
Am Kopf der Niederdrucksäule 14 wird stickstoffreiches Restgas 29 abgezogen und nach Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 26 und im Hauptwärmetauscher 8 über Leitung 30 abgeführt. Es kann auch als Regeneriergas in der Reinigungseinrichtung 6 eingesetzt werden (nicht dargestellt).
Als Sumpfprodukt der Niederdrucksäule 14 fällt flüssiger Sauerstoff mit der erforderlichen Reinheit an. Ein Teil wird über Leitung 31 flüssig abgezogen, mittels einer Pumpe 32 auf den erforderlichen Abgabedruck gebracht und unter diesem Druck im Nebenkondensator 18 verdampft. Das gasförmige Drucksauerstoffprodukt strömt über Leitung 33 zum Hauptwärmetauscher und wird über Leitung 34 unter etwa Umgebungstemperatur abgegeben.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperatur-Luftzerlegung in einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (13) und eine Niederdrucksäule (14) aufweist, wobei Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck verdichtet (3) wird, der etwa gleich dem Betriebsdruck der Drucksäule (13) ist, mindestens ein erster Teilstrom (11) der Einsatzluft (7) unter dem ersten Druck in einem Hauptwärmetauscher (8) abgekühlt und in die Drucksäule (13) eingeleitet wird, wobei ein zweiter Teilstrom (12, 17) der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (7) auf einen zweiten Druck gebracht (16) wird, wobei der Niederdrucksäule (14) ein Sauerstoffstrom (31) entnommen, im flüssigen Zustand auf einen Abgabedruck, der höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule (14) ist, gebracht (32), durch indirekten Wärmeaustausch (18) mit dem zweiten Teilstrom (12, 17) stromabwärts der Verdichtung (16) auf den zweiten Druck verdampft, im Hauptwärmetauscher (8) angewärmt und als Produkt (34) abgeführt wird, und wobei ein Prozeßstrom (21) arbeitsleistend entspannt (22) und in die Niederdrucksäule (14) eingespeist (23) wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom (12) stromaufwärts des indirekten Wärmeaustauschs (18) mittels eines Kaltverdichters (16) auf den zweiten Druck gebracht wird und mindestens ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung (22) erzeugten mechanischen Energie zum Antrieb des Kaltverdichters (16) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßstrom, der der arbeitsleistenden Entspannung (22) unterworfen wird, durch einen dritten Teilstrom (21) der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft (7) gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Wärmeaustausch in einem vom Hauptwärmetauscher (8) getrennten Nebenkondensator (18) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der bei der arbeitsleistenden Entspannung (22) erzeugten mechanischen Energie an eine Bremseinrichtung abgegeben wird.
  5. Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck durch Tieftemperatur-Luftzerlegung, mit einem Rektifiziersystem, das mindestens eine Drucksäule (13) und eine Niederdrucksäule (14) aufweist, mit einem Luftverdichter (3) zur Verdichtung von Einsatzluft (1) auf einen ersten Druck, der etwa gleich dem Betriebsdruck der Drucksäule (13) ist, mit einer ersten Teilluftleitung (5, 7, 9, 11), die mit dem Luftverdichter (3) und der Drucksäule (13) verbunden ist und durch einen Hauptwärmetauscher (8) führt, mit einer Sauerstoffproduktleitung (31, 33, 34), die mit der Niederdrucksäule (14) verbunden ist, ein Mittel (32) zur Druckerhöhung aufweist, zwischen der Niederdrucksäule (14) und dem Mittel (32) zur Druckerhöhung als Flüssigkeitsleitung ausgebildet , und mit dem Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers (18) verbunden ist, mit einer zweiten Teilluftleitung (5, 7, 9, 12, 17), die vom Luftverdichter (3) über einen Nachverdichter (16) in den Verflüssigungsraum des Kondensator-Verdampfers (18) führt, und mit einer Entspannungsmaschine (22), dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverdichter als Kaltverdichter (16) ausgebildet ist und daß die Entspannungsmaschine (22) mit dem Kaltverdichter (16) gekoppelt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dritte Teilluftleitung (21), die vom Luftverdichter (3) zu der Entspannungsmaschine (22) führt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator-Verdampfers (18) durch einen vom Hauptwärmetauscher (8) getrennten Nebenkondensator (18) gebildet wird.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine (22) an eine Bremseinrichtung gekoppelt ist.
EP99118724A 1999-08-05 1999-09-22 Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck Revoked EP1074805B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19936816 1999-08-05
DE19936816A DE19936816A1 (de) 1999-08-05 1999-08-05 Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1074805A1 EP1074805A1 (de) 2001-02-07
EP1074805B1 true EP1074805B1 (de) 2005-01-19

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ID=7917229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP99118724A Revoked EP1074805B1 (de) 1999-08-05 1999-09-22 Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Sauerstoff unter überatmosphärischem Druck

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